三、变构酶

《生物化学与分子生物学》书籍目录

1.概念

有些酶除了活性中心外,还有一个或几个部位,当特异性分子非共价地结合到这些部位时,可改变酶的构象,进而改变酶的活性,酶的这种调节作用称为变构调节(allosteric regulation),受变构调节的酶称变构酶(allostericenzyme),这些特异性分子称为效应剂(effector)。变构酶分子组成,一般是多亚基的,分子中凡与底物分子相结合的部位称为催化部位(catalytic site),凡与效应剂相结合的部位称为调节部位(regulatorysite),这二部位可以在不同的亚基上,或者位于同一亚基。

2.机理

(1)一般变构酶分子上有二个以上的底物结合位点。当底物与一个亚基上的活性中心结合后,通过构象的改变,可增强其他亚基的活性中心与底物的结合,出现正协同效应(positivecooperative effect)。使其底物浓度曲线呈S形。即底物浓度低时,酶活性的增加较慢,底物浓度高到一定程度后,酶活性显著加强,最终达到最大值Vmax(图2-20)。

多数情况下,底物对其变构酶的作用都表现正协同效应,但有时,一个底物与一个亚基的活性中心结合后,可降低其他亚基的活性中心与底物的结合,表现负协同效应(negative cooperative effect)。如3-磷酸甘油醛脱氢酶对NAD+的结合为负协同效应。

(2)变构酶除活性中心外,存在着能与效应剂作用的亚基或部位,称调节亚基(或部位),效应剂与调节亚基以非共价键特异结合,可以改变调节亚基的构象,进而改变催化亚基的构象,从而改变酶活性。凡使酶活性增强的效应剂称变构激活剂(allosteric activitor),它能使上述S型曲线左移,饱和量的变构激活剂可将S形曲线转变为矩形双曲线(图2?0)。凡使酶活性减弱的效应剂称变构抑制剂(allosteric inhibitor),能使S形曲线右移。例如,ATP是磷酸果糖激酶的变构抑制剂,而ADP、AMP为其变构激活剂。

(3)由于变构酶动力学不符合米-曼氏酶的动力学,所以当反应速度达到最大速度一半时的底物的浓度,不能用Km表示,而代之以K0.55表示(图2-20)。为了解释变构酶协同效应的机制并推导出动力学曲线方程式,不少人曾提出各种模型,各有优缺点,现将有关变构作用的Hill模式内容附本章节后,供学习参考。

变构酶的底物活性曲线

图2-20 变构酶的底物活性曲线

⊙不加变构剂

加变构抑制剂

3.生理意义

(1)在变构酶的S形曲线中段,底物浓度稍有降低,酶的活性明显下降,多酶体系催化的代谢通路可因此而被关闭;反之,底物浓度稍有升高,则酶活性迅速上升,代谢通路又被打开,因此可以快速调节细胞内底物浓度和代谢速度。

(2)变构抑制剂常是代谢通路的终产物,变构酶常处于代谢通路的开端,通过反馈抑制,可以及早地调节整个代谢通路,减少不必要的底物消耗。

例如葡萄糖的氧化分解可提供能量使AMP、ADP转变成ATP,当ATP过多时,通过变构调节酶的活性,可限制葡萄糖的分解,而ADP、AMP增多时,则可促进糖的分解。随时调节ATP/ADP的水平,可以维持细胞内能量的正常供应。

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